Астрономы обнаружили уникальную галактику на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет от Земли. Уникальность объекта заключается в том, что галактика принадлежит неизвестному ранее классу, прозванному астрономами "зеленой фасолью". Причиной этого прозвища послужил кислород, ионизированный сверхмассивной черной дырой.

Сверхмассивные черные дыры

Впервые о существовании сверхмассивных черных дыр (вообще черные дыры бывают разные, однако об этом "Лента.ру" ужеписала, причем не единожды) ученые всерьез заговорили в 60-х годах прошлого века. Привлечение столь необычных объектов потребовалось теоретикам для объяснения процессов функционирования активных галактических ядер - семейства звездных скоплений, включающих в себя квазары, радиогалактики, сейфертовские галактики, блазары и многое другое. Объединяло эти галактики то, что в их центрах происходили невероятной мощности процессы, приводящие к излучению огромного количества энергии (светимость в пределах нескольких порядков от 1040 ватт).

Ученые предположили, что источником энергии для активных галактик является процесс аккреции - падение вещества на горизонт событий черной дыры. Из-за колоссальной силы притяжения дыры вещество, падая, разгоняется до околосветовых скоростей. При этом оно излучает, и именно это излучение, по мнению астрофизиков, мы видим как свет активных галактических ядер. Тут, конечно, необходимо заметить, что многие детали этого процесса пока неясны: существует несколько упрощенных моделей, описывающих поглощение материи черной дырой в том или ином "режиме". Например, наличие собственного магнитного поля у потоков материи, которые пожирает дыра, может существенно влиять на процесс аккреции - на это в 70-х годах указал советский ученый Виктор Шварцман. При некоторых дополнительных условиях такое поле может почти полностью остановить поглощения (недавно, кстати, теорию Шварцмана применили для объяснения поведения загадочного пульсара SXP 1062, на первый взгляд не имеющего к черным дырам никакого отношения).

 

Выброс квазара SDSS J1106+1939 глазами художника. Иллюстрация ESO
Выброс квазара SDSS J1106+1939 глазами художника. Иллюстрация ESO

 

Как бы то ни было, но теория оставалась только теорией, пока в 90-х годах прошлого века техника не достигла уровня, необходимого для обнаружения такого рода объектов. Спектрографический анализ - в частности, данные по эффекту Допплера (сдвиг частоты электромагнитного излучения, вызванный ненулевой радиальной скоростью объекта; так, если объект удаляется, то излучения смещается в красную часть спектра) - позволил получать достаточно точное распределение скоростей разного рода газовых облаков и звезд в окрестности галактических центров. Анализ этого распределения и показал, что движение газа можно объяснить только наличием объектов огромной массы (до десятков миллиардов солнечных), сконцентрированной в очень небольшом объеме. Более того, оказалось, что собственная сверхмассивная черная дыра есть в центре почти каждой из известных на настоящее время галактик.

Вместе с доказательством существования сверхмассивных черных дыр возник важный вопрос: откуда они взялись? Проблема осложняется следующим соображением: на настоящий момент известно, что квазары существовали уже на раннем этапе формирования Вселенной. Рекордсменом является галактика QSO CFHQSJ2329-0301, расположенная на расстоянии 12,8 миллиарда световых лет от Земли (возраст Вселенной, для сравнения, 13,5 миллиарда лет), которая содержит дыру массой около миллиарда солнечных. В настоящий момент существует несколько гипотез формирования черных дыр, из которых можно выделить две основные.

Разумеется, черная дыра звездной массы, сформировавшаяся в результате гравитационного коллапса звезды, может со временем вырасти в сверхмассивную черную дыру, питаясь окружающим ее газом. Главный недостаток такого сценария - его продолжительность. Поэтому астрофизики предположили, что в результате гравитационного коллапса рождаются сразу много дыр. Такое может происходить, например, если речь идет о небольшом скоплении звезд, сформировавшемся из общего газопылевого облака. Эти звезды превращаются в нейтронные и черные дыры (вместе с белыми карликами и пока гипотетическими кварковыми звездами эти объекты называют компактными) примерно в одно время. После этого возникает скопление компактных объектов, которое, как показали в 1965 году советские физики Зельдович и Подурец, является, при некоторых дополнительных условиях, неустойчивым. С точки зрения механики это означает, что объекты в такой системе стремятся слиться в один большой - в нашем случае сверхмассивную черную дыру. Теоретические выкладки были подтверждены численным моделированием, проведенным Стюартом Шапиро с коллегами в конце 80-х годов прошлого века.

 

Аккреационный диск глазами художника. Иллюстрация NASA/JPL-Caltech
Аккреационный диск глазами художника. Иллюстрация NASA/JPL-Caltech

 

Вторая гипотеза, разработанная в 80-х годах прошлого века, подразумевает формирование черных дыр непосредственно из облака газа в результате гравитационного коллапса. Если быть точным, то в результате крайне быстрого сжатия сначала формируется колоссальных размеров протозвезда массой до 1 миллиона солнечных. Если приток материи под воздействием гравитации пересиливает давление излучения, то полноценной звезды не возникает, равно как и не происходит взрыва сверхновой, который мог бы этот самый газ раскидать. Как следствие достаточно быстро формируется черная дыра, которая начинает дальше поглощать материю и расти. Такого рода сценарии, как было показано, могут отвечать за быстрое формирование сверхмассивных черных дыр.

 

Зеленая фасоль

Однажды астроном Миша Ширмер (Mischa Schirmer) из обсерватории Gemini просматривал снимки удаленных космических объектов. Это довольно обычное для астрономов дело - сейчас не существует программных способов достоверной сортировки объектов, поэтому во многих исследованиях ученые до сих пор полагаются на чутье и зоркий глаз. По его собственным словам, когда он наткнулся на J224024.1- 8722;092748 (такое обозначение позже получил объект), то остолбенел. Обнаруженная галактика, которая располагается на расстоянии 3,7 миллиарда световых лет от Земли в созвездии Водолея, не была похожа ни на что виденное им ранее.

"ESO очень быстро предоставила мне специально выделенное наблюдательное время. Всего через несколько дней странный объект уже наблюдался телескопом VLT. Еще через десять минут после получения данных в Чили они уже были в моем компьютере в Германии. Как только мне стало ясно, что я наткнулся на что-то действительно новое, я тут же все бросил и посвятил себя изучению J2240", - приводит Европейская южная обсерватория слова Ширмера.

После обнаружения первого объекта астроном вместе со своими коллегами принялся за поиск других аналогичных галактик. Проанализировав более миллиарда снимков, астрофизики обнаружили 16 подобных объектов. Сами исследователи говорят, что "зеленые бобы" крайне редки - на куб пространства со стороной около 1,3 миллиарда световых лет приходится в среднем один такой объект.

 

Зеленая фасоль. Фото ESO
Зеленая фасоль. Фото ESO

 

У галактик "зеленой фасоли" обнаружились следующие интересные свойства. Во-первых, исследователи установили, что зеленый свет испускает ионизированный кислород, входящий в состав межзвездного газа. Причиной же ионизации служит рентгеновское излучение аккреционного диска сверхмассивной черной дыры. Во-вторых, оказалось, что светящаяся область в галактике такого вида занимает почти весь ее объем, в то время как в обычных звездных скоплениях силы излучения центральной сверхмассивной черной дыры хватает на ионизацию от силы 10 процентов всего объема галактики. В-третьих, выяснилось, что в центре J2240 нет яркого пятна, которое соответствовало бы черной дыре. Из этого ученые заключили, что излучение галактики есть не что иное, как световое эхо былой (и совершенно невероятной по мощи) активности сверхмассивной дыры в центре скопления.

"Эти светящиеся области - фантастически удачная возможность попытаться понять физику галактик. Обычно эти области небольшие, неяркие и видны только в близких галактиках. А в этих новооткрытых галактиках они такие огромные и яркие, что несмотря на громадные расстояния их можно наблюдать во всех деталях", - говорит Ширмер. Впрочем, будущие исследования он оставляет своим коллегам. Сам он уже готов почивать на лаврах первооткрывателя "зеленой фасоли". "Открыть что-то действительно новое - заветная мечта любого астронома, такое случается раз в жизни, - приводит его слова ESO. - Я счастлив!"

Источник